Publication: Selenium cytotoxicity in Tetrahymena thermophila: New clues about its biological effects and cellular resistance mechanisms
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2019-06-25
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Elsevier
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Abstract
Selenium is an essential micronutrient but at high concentrations can produce severe cytotoxicity and genomic damage. We have evaluated the cytotoxicity, ultrastructural and mitochondrial alterations of the two main selenium inorganic species; selenite and selenate, in the eukaryotic microorganism Tetrahymena thermophila. In this ciliate, selenite is more toxic than selenate. Their LC50 values were calculated as 27.65 μM for Se(IV) and 56.88 mM for Se(VI). Significant levels of peroxides/hydroperoxides are induced under low-moderate selenite or selenate concentrations. Se(VI) exposures induce an immediate mitochondrial membrane depolarization. Selenium treated cells show an intense vacuolization and some of them present numerous discrete and small electrondense particles, probably selenium deposits. Mitochondrial fusion, an intense swelling in peripheral mitochondria and mitophagy are detected in selenium treated cells, especially in those exposed to Se (IV). qRT-PCR analysis of diverse genes, encoding relevant antioxidant enzymes or other proteins, like metallothioneins, involved in an environmental general stress response, have shown that they may be crucial against Se(IV) and/or Se (VI) cytotoxicity.
El selenio es un micronutriente esencial en casi todos los organismos, ya que forma parte de diversas selenoproteínas, sin embargo, a altas concentraciones puede producir una severa cito- y/o genotoxicidad. En el microorganismo eucariota Tetrahymena thermophila hemos evaluado la citotoxicidad de las dos principales especies inorgánicas del selenio; selenito Se(IV) y selenato Se(VI). Ambas especies de selenio originan altos niveles de peróxidos e hidroperóxidos y una drástica disminución del potencial de membrana mitocondrial. No obstante, la célula sobrevive debido, en parte, al gran número de mitocondrias que posee (~1.700/célula). Se han detectado severas alteraciones mitocondriales en células expuestas al Se(IV), el más tóxico de ambos, tales como; fusión y fragmentación. Las mitocondrias dañadas son eliminadas por tres diferentes caminos: mitofagia, autofagia inespecífica o macroautofagia e hinchamiento mitocondrial. Esta última vía es inducida preferentemente por Se(VI). De las cinco isoformas de metalotioneinas presentes en este ciliado, la MTT3 y el par MTT2/4 están involucradas en la respuesta estrés frente al selenio, lo que corrobora nuestros estudios previos sobre la función de homeostasis de metales esenciales que le atribuimos a estas metalotioneinas. El análisis de la expresión de genes que codifican enzimas antioxidantes, ha revelado que; el gen parálogo TtGPx2 (que codifica una glutatión- peroxidasa) es uno de los principales involucrados en la respuesta estrés frente al Se(IV) o Se(VI). Sin embargo, el parálogo TtGPx3 (que codifica una selenoproteína) solo se expresa en presencia de Se(VI). Otros genes que codifican una glutatión-reductasa (GR), glutamato-cisteina-ligasa (GCL), tioredoxin-reductasas (TrxR) o diferentes glutatión-transferas (GST) muestran patrones de expresión diferencial respecto al Se(IV) o Se(VI). Se infiere que el GSH es oxidado principalmente por Se(IV), y posteriormente regenerado por la actividad GR, mientras que la síntesis de novo de GSH es menos crítica bajo este tipo de estrés. Igualmente, se concluye que el selenio induce la expresión de múltiples genes parálogos que codifican enzimas antioxidantes, siendo este uno de los principales mecanismos de resistencia al estrés por selenio en este microorganismo.
El selenio es un micronutriente esencial en casi todos los organismos, ya que forma parte de diversas selenoproteínas, sin embargo, a altas concentraciones puede producir una severa cito- y/o genotoxicidad. En el microorganismo eucariota Tetrahymena thermophila hemos evaluado la citotoxicidad de las dos principales especies inorgánicas del selenio; selenito Se(IV) y selenato Se(VI). Ambas especies de selenio originan altos niveles de peróxidos e hidroperóxidos y una drástica disminución del potencial de membrana mitocondrial. No obstante, la célula sobrevive debido, en parte, al gran número de mitocondrias que posee (~1.700/célula). Se han detectado severas alteraciones mitocondriales en células expuestas al Se(IV), el más tóxico de ambos, tales como; fusión y fragmentación. Las mitocondrias dañadas son eliminadas por tres diferentes caminos: mitofagia, autofagia inespecífica o macroautofagia e hinchamiento mitocondrial. Esta última vía es inducida preferentemente por Se(VI). De las cinco isoformas de metalotioneinas presentes en este ciliado, la MTT3 y el par MTT2/4 están involucradas en la respuesta estrés frente al selenio, lo que corrobora nuestros estudios previos sobre la función de homeostasis de metales esenciales que le atribuimos a estas metalotioneinas. El análisis de la expresión de genes que codifican enzimas antioxidantes, ha revelado que; el gen parálogo TtGPx2 (que codifica una glutatión- peroxidasa) es uno de los principales involucrados en la respuesta estrés frente al Se(IV) o Se(VI). Sin embargo, el parálogo TtGPx3 (que codifica una selenoproteína) solo se expresa en presencia de Se(VI). Otros genes que codifican una glutatión-reductasa (GR), glutamato-cisteina-ligasa (GCL), tioredoxin-reductasas (TrxR) o diferentes glutatión-transferas (GST) muestran patrones de expresión diferencial respecto al Se(IV) o Se(VI). Se infiere que el GSH es oxidado principalmente por Se(IV), y posteriormente regenerado por la actividad GR, mientras que la síntesis de novo de GSH es menos crítica bajo este tipo de estrés. Igualmente, se concluye que el selenio induce la expresión de múltiples genes parálogos que codifican enzimas antioxidantes, siendo este uno de los principales mecanismos de resistencia al estrés por selenio en este microorganismo.